距2018年美军发布《国防部数字工程战略》已快满一年，这一年里，美军进一步推动在新武器系统研究开发测试中应用数字孪生、数字主线等先进建模与仿真技术。而在日益激烈和快速变化的国际竞争中，这一趋势亦呈现全面提速的趋势。

本文首先剖析了美军倡导数字工程背后地缘政治、技术竞赛、成本控制、供应链安全等多重因素，而后总结了美军数字工程几个重要项目，其发展动向尤为值得关注。

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多重挑战推动美军装备发展数字化转型

作者：学术plus评论员 大林

“温故”

装备数字化转型 四大动因

近年来，美军积极倡导装备发展数字化转型，其背后动力并非仅仅是谋求技术优势，而是在面对地缘政治、技术竞赛、成本控制、供应链安全等多重挑战情况下作出的战略选择。

转型动因1：地缘政治

尽管美国的国防预算已经超过了排在其之后的七个国家的国防预算总和，但随着地缘政治紧张局势不断加剧，国防预算支出仍将显得捉襟见肘。有专家预测，从2020年到2027年，美国防预算将以每年3—5%的速度增长。美国政府也在推动其盟国尤其是北约国家在国防上投入更多资金，以支持美国在欧洲、亚洲等地区的军事设施。

正如美国国防部副部长迈克尔·格里芬在2018年《国防部数字工程战略》前言中所指出，“在国防部2018年的国防战略中，詹姆斯·马蒂斯鼓励我们所有人采用新的做法，实现用更高的性能和国防可承受力应对当前和未来的挑战……我们能够通过一种将数字计算、分析能力和新技术相结合方式，在更集中的虚拟环境中进行工程设计，以提高客户和供应商的参与度，加速应对威胁的流程，推进技术的融合，减少文档的数量，并确保可持续、可承受的发展。”

2018年6月美国国防部《数字工程战略》

下载链接：https://sercuarc.org/wp-content/uploads/2018/06/Digital-Engineering-Strategy_Approved.pdf

转型动因2：技术竞赛

美军面临着投资下一代武器（例如高超音速导弹）和技术能力（人工智能、机器人技术、网络安全）的直接挑战，同时管理大量过时或老旧装备、舰队资产。全球技术竞赛加剧，各国不断优化战略与政策以加速新技术装备的不断采用。

国防部和国防工业体系需要新的战略，为此需要以前所未有的规模进行数字化转型。这种划时代的全球性技术融合更多地被称为第四次工业革命。其重要的第一步，即国防部和国防工业体系必须从共同的角度出发考虑问题，确定优先事项和要求，并建立灵活的合作伙伴关系，确保更高效、精准地履行装备研制合同，改进生产的运作流程，将不同系统进行连接，收集、分析和利用端到端的数据，构建满足各种需要的数字孪生模型，并在智能互联技术框架内将相关流程进行同步。

转型动因3：成本控制

虽然国防预算正在逐年上升，但并不意味着五角大楼可以无限地提供免费午餐。更多的公众监督、合同控制和固定成本合同大大限制了预算。因此，最终赢得合同的都是那些可以从数字化、企业集成和自动化中获取最大价值的企业。

伴随质量压力的不断提高，废弃物循环使用政策的实施以及生产效能的提升要求，装备制造的复杂性和不确定性带来的风险越来越大。国防部IT系统人员需要找到应对挑战的方法对国防承包商与国防部都至关重要。数字化转型必须考虑在数字化的生产制造执行系统中提供协同工作平台，以便所有利益相关者能够共同开展评估、集成和协作。

转型动因4：供应链安全

国防部与其全球供应链制造商之间的公私合作非常复杂：美军从微芯片到涡轮发动机都需要从国外购买的技术和零部件，这意味着要考虑多个国家的法律法规，对地缘政治事件作出反应，并综合考虑具体国家的劳动力成本、物流和自然资源等问题。此外，贸易争端和技术间谍活动可能会破坏全球航空航天和国防领域的供应链。

因此，国防部和国防工业体系需要建立共享的管理生产历史、产品规范和产品性能的数字主线和数字孪生平台，并使其融入到生产制造的全局规划和控制流程中。每个零部件都需要有一个特定的ID，以在整个生命周期中进行跟踪，结合数字孪生建模与仿真能力对各种供应链风险挑战进行分析与决策。

“知新”

美军装备发展数字化项目简介

以2018年6月公布《国防部数字工程战略》为标志，美军推进装备发展数字化转型正驶入快车道。

项目统筹与整合

美国防部正将之前启动并仍在实施的一些计划纳入到数字工程战略的整体工作中来，包括了几大前沿技术计划，如数字系统模型计划、工程弹性系统计划、数字主线计划、飞行器机体数字孪生计划、自适应运载器制造计划等。

建立新的数字化项目

建立支撑的基础设施和环境的计划，如高性能计算现代化计划的计算研究与工程采办环境项目，系统工程研究中心的中心化模型研究协同环境项目、国防部数字制造与设计创新机构的数字制造社区计划等。其中，最典型的是数字主线/飞行器机体数字孪生计划、工程弹性系统计划及计算研究和工程采办工具与环境项目。

以下项目资料来自于美国国家造船研究计划（NSRP）小组会议报告

美海军“数字孪生船厂”项目详解

孪生船厂 早期阶段目标

最近，美海军正计划将“数字孪生”引入四家国家船厂，从而使工程师可借助建模和仿真，为船厂确定未来理想的厂区配置方案，全面提高生产率。作为美海军为期20年、耗资210亿美元的“船厂基础设施优化计划”（SIOP）的一部分，该数字孪生船厂构建工作正处于早期阶段，重点目标包括：改善工作流程，减少无效工时，研究船厂焊接车间、泵管车间、材料仓库、办公空间的新布局。

SIOP还涉及修理和加强干船坞，更换老化的固定设备等方面，但美海军希望尽早解决布局问题，以避免大型固定设备在安装后几年又不得不转移的问题。SIOP重点实现干船坞、设施和固定设备这三个相互依赖的船厂基础设施布局优化，这将对船厂执行任务的能力产生直接影响。

改变的不仅是设备，而是工作方式

海军正研究利用建模与仿真工具将这些要素集成在一起，以便更好地为基础布局提供信息。通过这种方式，海军将能够更好地进行数字化转型，不仅解决设施和设备的老化问题，而且改变开展工作的方式。SIOP完成后，船厂每年将节省30多万个工时。SIOP目前迈出了全面引入数字孪生技术的第一步，未来船厂厂区所有的信息将被放入一个建模和仿真系统中，然后可以生成许多选项来优化工作流程。

图：船厂全局数字孪生

据负责研究、开发和采购的助理海军部长詹姆斯·古尔斯介绍，目前正在珍珠港海军船厂和中继级维修设施进行一个试点项目。该船厂的主设计师已经为船厂厂区设计了一个新的概念设计，并且正在针对各种类型的人群运行运送时间仿真，以了解哪些车间、办公室和其他设施需要位于哪些其他设施附近，以优化运送流。每个人不得不从一个地方走到另一个地方去做他们的工作，这种影响可能看起来很小，但是当乘以整个维修周期内的总劳动力时，一个低效的造船厂设计会大大延长修理一艘船的时间。海军海上系统司令部中将汤姆·摩尔也表示，在弗吉尼亚州的诺福克海军船厂，工人们每天在不同工作场地之间往返所走过距离的总和，相当于绕地球的一周。工人每天在厂区域内的走动可导致6%的时间成本损失，这可以通过更合理的车间-干船坞布局来消除。

数字船厂的设计理念和发展路线图全面遵循了《国防部数字工程战略》的总体思路，通过建立基于单一模型的数字连续体作为权威信息源，开展基于模型的概念和系统工程、工业设计与仿真以及生产计划和制造执行。

图：基于单一模型的数字连续体

数字船厂的未来将实现从反应到预测的转型，支撑预测仿真与分析；从重做到重用的转型，全面标准化、模块化；从人工任务到自动化任务的转型，实现业务流程自动化；从静态文档到数据、从图纸到三维模型的转型，支撑数字化的业务流程和数字的延续性；打破孤岛和保护逐日，实现从断开连接到联机与连接、从孤立作业到协作网络的转型。

图：数字船厂的发展路线图

美军装备发展数字化转型的全面加速，将有更多运用数字孪生、数字主线等先进建模与仿真方法与工具的案例涌现。有必要对此加以全面的分析与评估，总结其成功经验与做法，推动我国数字工程战略发展，确保在全球数字化转型进程中立于不败之地。

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